Физики порасширяли фотонный газ с отрицательной абсолютной температурой

Физики из Германии и США добились режима отрицательной абсолютной температуры при работе с фотонным газом, населяющим двумерную синтетическую решетку. Решетка представляла собой набор мод, различающихся временами прохождения импульсов по двум волоконным петлям различной длины. Ученые впервые исследовали изоэнтропийное и джоулево расширение в отрицательном режиме, убедившись, что наблюдения согласуются с теорией. Исследование опубликовано в Science.

Понятие температуры позволяет оценить меру нагретости тел. В молекулярно-кинетической теории она вводится как средняя кинетическая энергия частиц, приходящаяся на одну степень свободы. Однако термодинамические системы не ограничиваются лишь движением и вращением. В более общем статистическом подходе температура определяется через производную энтропии по внутренней энергии в минус первой степени. В таком виде температура показывает направление потока энергии между двумя подсистемами, как того требует второй закон термодинамики.

В большинстве систем увеличение энергии сопровождается увеличением доступных микросостояний и, следовательно, энтропии — температура при этом растет и положительна. Однако если в какой-то системе этот принцип нарушается, то есть с ростом энергии число состояний убывает или даже становится равным нулю, физики говорят об отрицательной абсолютной температуре.

Режим отрицательной абсолютной температуры требует пересмотра термодинамических подходов. Так, было показано, что КПД тепловой машины, работающей в таких условиях, может быть выше, чем КПД двигателя Карно. И хотя экспериментаторы уже продемонстрировали отрицательные температуры в спиновых системах, ультрахолодных атомах и двумерных квантовых жидкостях, базовые термодинамические процессы там никто не исследовал.

Закрыть этот пробел решили Андре Маркес Мунис (Andre Marques Muniz) из Йенского университета имени Фридриха Шиллера с коллегами из Германии и США. В качестве физической платформы они выбрали фотонный газ, распределенный по узлам синтетической двумерной решетки.

Чтобы создать такую решетку, физики запускали последовательности импульсов в две связанные петли из оптического волокна длиной около четырех километров каждая. Одно из волокон было немного — на сто метров — длиннее другого, что приводило к задержке между последовательностями, попадающими на перестраиваемый коуплер — общий участок волокна, где импульсы могли интерферировать друг с другом и перераспределяться в петли. На характер интерференции влиял набор фазы на линейном и нелинейном сегменте волокна, которую физики контролировали с помощью модуляторов.  

Синтетическая решетка возникала в тот момент, когда физики с помощью фотодетекторов считывали распределение населенности света в модах по двум временным параметрам: количеству проходов по петлям и количеству накопленной разницы во времени между двумя петлями. Фотоны перераспределялись между узлами решетки благодаря нелинейному взаимодействию (четырехволновому смешению) и в конце концов приходили к равновесному распределению (термализовывались). Энергии узловых мод образовывали две зоны, расстояние между которыми авторы контролировали с помощью фазовых модуляторов и параметром разделения коуплера. Управляя параметрами, ученые нашли режим, в котором в результате термализации населенность мод увеличивалась с ростом энергии — эта ситуация соответствует отрицательной абсолютной температуре.

Физики исследовали два процесса в таком режиме. Сначала они подвергли фотонный газ изоэнтропическому сжатию. Для этого авторы адиабатически увеличивали параметр коуплера. Это можно было представить, как сжатие решетки без нарушения ее населенности, следовательно, энтропия в системе не менялась. Однако изменялись химический потенциал и температура газа. Причем, в отличие от нормальной ситуации, сжатие приводило к остыванию газа. Физики продемонстрировали, что этот процесс обратим:  изоэнтропическое расширение увеличивало температуру.

На втором этапе авторы исследовали, что происходит с фотонным газом при джоулевом расширении, то есть необратимом резком увеличении объема, предоставляемого газом. В опыте они увеличивали число доступных узлов почти в два раза, быстро меняя параметр разделения. Химические потенциалы фотонного газа до и после расширения были примерно равны, а температура повысилась, как и предсказывала теория.

В будущем авторы надеются исследовать полные циклы в фотонном термодинамическом двигателе. Они также надеются, что их наработки найдут и более прикладное применение в манипуляциях с бозе-конденсатами и оптомеханическими системами, а также для разработки источников высокой яркости на основе охлажденного света.

Ранее мы рассказывали про исследование фотонного квантового двигателя на основе резонатора и пролетающих в нем сверхизлучающих атомов. В тот раз ученым удалось получить эффективность 98 процентов.